關于現代執行器技術在門窗五金產品應用的探討

賈天民

一、概 述

現代技術的發展為建筑領域的各個行業的發展提供了創新發展的機遇和條件，如何使建筑門窗五金配套件這個傳統行業在應用現代執行器技術 （從理論到應用）方面獲得產品創新的機遇是值得我們認真仔細的研究探討的課題，因為建筑和建筑門窗及相應的門窗配套件均屬傳統產業領域，它和以IT業為代表的高科技領域的各個行業的相比，其發展有著很大的差距和滯后，如何改變這一落后的現狀，本文想通過分析現代執行器和建筑門窗五金配套件各自的特征，來探討二者的有機結合的可能性，為建筑門窗五金配套件行業的創新發展提出一些本人思考與建議，供行業同仁參考。

二、現代執行器

傳感器與執行器都是自動化系統中的重要組成部分。如果把電子計算機比成 “電腦”，傳感器稱為 “電五官”，而執行器則應該稱為 “電手足”，其承擔著重要和不可替代的任務。

傳感器的定義：為測量目的將感受到的物理量 （一般是非電量）按照相應的關系轉化為另外一種物理量 （一般為電量）輸出的裝置叫做傳感器，在傳感器中直接感受被測物理量部分叫做敏感元件，摘自 （QJ30-81標準）能感受 （或響應）規定的被測量并按照一定規律轉換成可用信號輸出的期間和裝置。傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產生可用信號輸出的轉換元件以及相應的電子線路所組成。摘自 （GB7665-87）。

執行器的定義：按照一定規律產生某種運動的器件或裝置。廣義的定義：凡是利用物性 （物理、化學、生物等現象）法則、定理、定律、效應等進行能量轉換與信息轉換的，并且輸入與輸出嚴格一一對應的，以便達到對對象物的驅動、控制、操作和改變其狀態的目的的裝置與器件均可稱謂執行器。所謂現代執行器是在上述定義基礎上，利用先進理論、原理與先進的制造技術利用物性效應制造的執行元器件。主要應用于國防與民用的高新技術領域和產業部門以及3A（辦公自動化、家庭自動化、工廠自動化）設備與裝置上。

三、傳感器與執行器的分類

(一)傳感器分類

1.按照結構和材料分類：結構型 （空間型），物性型 （材料型或）；

2.按照能量關系分類：有源型與無源型，能量控制型與能量轉換型；

3.按照輸出量形式分類：模擬量與數字量；

4.按照物性效應分類。

一般是按照工作原理和使用要求 （被測量）分類或將二者結合起來綜合分類。

傳感器：結構型-機械結構與物理場

物性型-應變式、電容式、壓電式、

壓阻式、壓磁式、光電式、電感式、電磁式、電動式；

傳感器：按照使用要求 （被測量）分類：

物理量-力學量：力、力矩、壓力、位置、位移 （線和角度）、流量、流速、密度、粘度、硬度、濁度；

-熱學量：溫度、熱流量、熱導率；

-光學量：可見光、紅外、紫外、色度、CCD、激光；

-磁學量：磁通、磁場強度；

-聲學量：超聲、噪聲、次聲、表面波；

-放射線：X、γ、β、輻射劑量；化學量-濕度：露點、水分、為水分；

-氣體：成分、分壓；

-離子：pH值、離子活度、鮮度；生物量-生理量：血壓、脈搏、心電、腦電、體溫、體液、肺活量；

-生化量：血中離子、pH值；

(二)執行器可按照能源種類、工作機理 （作用原理）、使用要求、技術水平進行分類。

1.按照能量種類分類：機、電、熱、光、聲、磁6種能量執行器；

2.按照工作機理分類：結構型 （空間型）和物性型 （材料型）兩大類，其中各類又可細分為：位移、振動、力、溫度、壓力執行器；

3.按照技術分類：普通型和先進型。按照綜合分類：

（1） 結構型 （按能源分）：

-機械式：機械式 （各種機械結構與裝置），熱機式 （蒸汽機、內燃機、汽輪機、發動機）；

-電氣式：電磁式 （電馬達、電磁閥），電場式 （靜電場、變電場）；

-流體式：油壓式 （油缸、油馬達），氣動式（汽缸，空氣馬達、調節閥、轉換器、定位器）；

-其他形式：泵類、閥類、開關類、繼電器、轉換器、控制器、報警器等。

（2） 物性型 （按效應分）：

-壓電式：位移執行器 （疊堆、雙晶）、超聲波執行器、諧振式執行器；

-壓磁式：磁致伸縮執行器、超磁致伸縮執行器；

-靜電式：靜電馬達、靜電驅動裝置；

-形狀記憶合金 （SMA）；

-光/熱執行器：光執行器 （微移）、熱執行器（微力）；

-微機電系統執行器：微力、微位移、微熱板、微機器人手足、微夾鉗、微電機、微泵、微閥、微開關；

-仿生執行器：仿生機器人手足、人工肌肉、人工皮膚、機器昆蟲 （微機器人）、有機高聚物執行器、橡膠執行器、凝膠執行器；

-超導執行器：

-放射執行器：

-化學執行器。

四、現代執行器的功能

任何一個完整的自動化系統，無論是簡單的還是復雜的，都包括信息的采集、信息的處理和信息的執行三個部分。而信息的執行則完全由執行器來承擔完成。對執行器過去要求的是“三高”：高精度、高速度、高質量，自然導致價格也高。現在增加了 （三微），即結構的微型化、加工的微細化和微電子化。執行器具有一下作用與功能：

1.動和致動作用，對于大多數的執行器都具有這種作用，故許多情況稱其為驅動器或致動器，如電動、氣動、液動執行器都具有直行程或角行程的驅動功能；許多物性執行器，如壓電式、電致伸縮、磁致伸縮、超聲波、光/熱效應等執行器偶微位移驅動或振動的功能。

2.施加載荷 （力、力矩、扭矩等）作用，許多位移執行器如果限制其位移便形成力的作用，如機器人的手 （機器人末端執行器），就既具有位移功能，又具有施力功能。

3.控制與調節作用，如液壓執行器除了具有直接驅動功能，還用來驅動閥門、擋板、風門等元件的控制裝置，接收統一的標準直流電流信號、氣動信號、脈沖信號。并將其轉換成與輸入信號相對應的直線或角位移，自動地驅動閥門、擋板等的開度，完成工業過程的自動調節任務。

4.能量與信息轉換功能，向傳感器一樣，對于許多執行器都具有能量轉換與信息或信號轉換的功能，如薄膜式電/氣轉換器是利用電磁力控制噴嘴/擋板的距離原理，可使標準的控制信號呈線性地轉換為氣壓動力，推動閥桿等執行機構運動。應用廣泛的壓電執行器，它是利用逆壓電效應，將電能直接轉換為機械能的器件。

5.物質狀態與成分的控制功能，依據鉑耳帖效應制作的溫差致冷器 （固態熱泵）、半導體致冷器、微型節流致冷器等都是控制溫度狀態的執行器，這種執行器在宏觀上并沒有移動現象，又如控制物質酸堿度 （pH值）的化學執行器，是屬于控制物質成分的執行器。

五、現代執行器的發展現狀與動向

1.向高效、量輕、節能、低噪聲、抗干擾、長壽命等方向發展：電氣、液壓、氣動執行器為代表的結構型執行器在實用化的基礎上，向著高效、量輕、節能、低噪聲、抗干擾、長壽命方向發展，高性能材料的采用和化學、電化學加工工藝的采用促進了執行器的小型化和高性能化，IC制造技術和微細加工 （LIGA）技術的應用進一步促進驅動型執行器的微型化。此外電氣、液壓、氣動結構執行器的智能化發展，如智能閥門定位器、智能變換器、現場總線控制系統等也是一個重要發展方向。智能閥門定位器是新的一代智能化氣動執行器機構不可缺少的配套產品。

2.向物性型方向發展：物性型執行器研發中，壓電執行器的研究和應用向著集成化、智能化、小型化、高機電轉化率方向發展，與結構型執行器相比，物性型執行器具有更好的發展前景。其中以壓電型執行器的研究發展無論是在基礎理論和工程實際應用方面都取得了顯著的成果。

3.微型化是執行器發展的重要方向之一：微執行器是隨著微電子技術、微光學技術、微機械技術以及先進制造技術而發展起來的，為了實現精密和超精密的定位、位移、傳動、轉動、操作與控制等功能，現代執行器也與傳感器一樣，向著材料的功能化、結構的固體化與集成化、體積的微型化方向發展。通過先進的制造技術 （IC制造技術、LIGA工藝、三束 （電子、激光、離子）加工技術、電化學特種加工技術等研制出微馬達（靜電馬達、超生馬達、電磁馬達、諧振馬達、生物馬達等）、微泵、微閥、微開關、微位移器、微定位器、微夾持器柔性鉸鏈微工作臺、微機械機構 （微齒輪、微連桿、微凸輪等）等關鍵器件，微微型機器人的發展提供可靠的基礎執行器部品。

4.執行器與傳感器的一體化發展：傳感執行器與自感執行器 （SSA）一體化是執行器與傳感器發展的一個重要方向，對于同一物性的傳感器與執行器本來就是同一種效應下的不同功能，即傳感器和執行器所應用的效應互為逆效應。

5.執行器用功能材料與智能材料的新發展：不同類型的執行器使用的材料也是不同的，如結構性執行器主要使用結構材料，物性型執行器主要使用功能材料 （如壓電石英、壓電陶瓷、功能半導體材料、形狀記憶材料、磁致伸縮材料等）還有仿生-智能材料 （人造皮膚、人造肌肉用材料）等。

六、建筑門窗五金配套件的功能與存在的缺陷

建筑門窗五金配套件是負責執行門窗啟閉運動的執行功能的結構型執行器，主要通過力的執行機構單元，借助連桿機構的力的傳遞功能，實現驅動啟閉開關單元的鎖閉機構運動，來達到實現門窗啟閉的功能。驅動力的承接與轉換、驅動力的傳遞、承受荷載單元的位移，實現將使用荷載的承受與力的傳遞是門窗五金配套件的主要功能。

1.驅動力的執行機構由驅動受力部分 （把手、拉手、執手）等和轉動驅動部分 （傳遞驅動力的齒輪和齒輪組等旋轉機構）組成；

2.驅動力的線性傳遞機構由傳力的連桿齒條機構和角部柔性傳力機構 （用于多點鎖閉機構）組成；

3.驅動力的目標執行機構 （鎖點-門窗所承受載荷的承受與傳遞機構）。

七、目前門窗配套件存在的缺陷

1.過多的消耗金屬材料，產品重量大；

2.金屬部件加工量大、加工能耗高；

3.金屬部件易受環境腐蝕，表面處理技術落后，污染環境；

4.操控位置受限，不易遠程操控；

5.鎖閉機構復雜，生產精度要求高，成本大；

6.產品組裝工時消耗大，產成品保護要求高；

7.產品體積大，包裝成本高；

8.產品生產設備復雜，投入高，社會配套和物流成本高；

9.產品更新換代慢，創新產品少。

八、開發使用現代執行器技術應用于門窗五金配套件產品

1.從功能實現上用現代執行器替換現有門窗五金配套件的力驅動部件、力傳動部件和力承受鎖閉與轉移部件的探討：以平開門窗配套件為例，將平開門窗配套五金件的驅動部分-執手的結構簡化成執行器的電、壓電或磁致控制開關型機構、將連桿傳力結構簡化成電、磁、光等信號的傳輸線路、將門窗配套件鎖閉機構替換成電、磁、超聲波控制的執行器機構，將大大簡化平開門窗配套件的結構和構造，使得門窗的密閉性能大大提高，可以更多的、任意的設置鎖閉執行器的數量，提高門窗框與扇的傳力能效，增強門窗的密封隔絕性能，進一步降低門窗的縫隙滲透能耗，有利于門窗性能的進一步提高。

2.用物性型執行器實現替代現有門窗五金配套件的操控自動化功能的探討：通過物性執行器的操控簡便的特性，即可采用電子操控、電磁操控、電子識別，紅外遙控等現代操控技術實現門窗啟閉向著自動化和智能化的方向發展，從而是建筑的自動化發展上升到一個更高的層面上。真正實現門窗五金配套件是建筑門窗的核心部件的關鍵地位。

3.從功能材料和智能材料實現上用現代執行器替換現有門窗五金配套件的探討：通過采用新型的功能與智能材料來替代現有的比較單一的金屬結構性材料，是實現用現代執行器更新門窗配套件的創新發展方向，如采用壓電陶瓷材料、形狀記憶材料、功能半導體材料和永磁性材料等新型材料技術的應用實現門窗五金配套件的小型化、加工的簡便化、使用的長壽命化等方面有著很好的發展前景。

4.從產品的創新結果實現上用現代執行器替換現有門窗五金配套件的探討：通過采用現代執行器替代現有門窗五金配套件，從而實現門窗五金配套件的小型化、簡潔化、集成化、輕量化、可靠性高、長壽命、節能、智能化、降低成本，產品的品種會更豐富，產品的附加值和收益會大大增加，更有益于大規模化生產，產品的維護和維修性能也會更加快捷方便，生產企業的競爭力會有質的飛躍性提升。

九、結束語

綜上所述，認為通過創新開發現代執行器在門窗五金配套件領域的應用，會徹底改變建筑門窗配套件行業的技術落后于現代社會的局面，使建筑門窗在實現節能、環保、綠色、自動化、智能化的目標得以真正實現，能夠真正的使科技創新的理念、新型的材料技術、現代制造技術、建筑自動化和智能化技術以及節能環保的將人造環境與自然環境和諧共處的人類理想得以實現。讓我們共同努力創新為實現這一宏偉目標而貢獻力量。